第十一讲： 糖类物质与生物功能

　　众所周知，糖类化合物是一切生物体维持生命活动所需能量的主要来源，是生物体合成其它化合物的基本原料，或充当生物体的结构原料。糖类化学的研究较早，但在核酸、蛋白质的研究处于鼎盛时期，对糖类化合物的研究一度受到冷落。直到20世纪70年代后，随着分子生物学的发展，人们逐步认识到，糖类是涉及生命活动本质的生物大分子之一.糖类具有多个羟基，糖苷键又有α、β构型之分，单糖的连接可能产生数目很大的异构体，因此，糖链结构蕴含十分丰富的生物语言信息，是高密度的信息载体。

　　细胞是生物体的基本单位，种类繁多的细胞形成各种组织，所有细胞表面均覆盖着一层糖被。糖常常和蛋白质构成共价复合物��糖蛋白。许多酶、免疫球蛋白、载体蛋白、激素、毒素、凝集素等大多数蛋白质都是糖蛋白。在糖蛋白中，各种糖蛋白糖链的长短与结构，糖链的数目均相差很大，因而含糖量也相差很大（图2）。例如：卵白蛋白分子含一条糖链；而羊的颔下腺粘蛋白分子含800条寡糖链，焦原蛋白含糖量不到1%；可溶性血型物质含糖量高达85%。细胞与细胞的相互粘附、相互识别、相互作用、相互制约与调控均与糖蛋白的糖链有关。随着分子生物学的飞速发展，生命的奥秘正在逐渐被揭示。大量的研究已表明，各种错综复杂的生命现象的产生与疾病的形成过程均包含了许多分子变化和复杂的代谢过程，其中糖蛋白的糖链在受精、发生、发育、分化、炎症与自身免疫疾病，在癌细胞异常增殖及转移，病原体感染，植物与病原体相互作用，豆科植物与根瘤菌的共生过程中，都起到重要作用。糖生物学的研究方兴未艾，成为继蛋白质，核酸后又一热点领域。英国、日本、美国及欧洲一些发达国家均十分重视糖生物学的研究，出版了多种杂志，专门介绍糖生物学研究的进展。90年代以来，国际召开了一系列重大糖生物学学术研讨会议。1993年，在美国召开的首届糖工程会议上，主持人G.W.Hart 说：“糖生物化学中，最后一巨大前沿��糖生物学的时代，正在加速来临！”本章编选了部份糖生物化学知识，旨在促进对糖研究领域的了解及其重要性的认识。

第一节 凝集素及其在生物学中的作用

　　　　　　　一、凝集素的概念　　

　　　　　　　二、凝集素与疾病

　　　　　　　三、凝集素在生物学研究中的作用

　　一、凝集素的概念

　　凝集素是一类广泛存在于自然界的一大类非免疫来源的蛋白质或糖蛋白，它能与糖专一性地、非共价地可逆结合，并且有凝集血细胞的作用，故称为凝集素。

　　Sumner和Howell于1936年首先从刀豆(jackbean,Canavalia ensiformis)种子纯化了伴刀豆凝集素-ConA。ConA能凝集溶液中的糖元和淀粉，ConA的血凝作用可被庶糖抑制，因而推测ConA的血凝作用是与细胞表面糖作用的结果。

　　目前已有近千种植物被测得具有凝集素活性，植物中，不只种子中存在凝集素，根、茎、叶、皮、果实汁中也发现有凝集素。除植物外，其它生物，如各种真菌、某些病毒、无脊椎动物、脊椎动物及至人体的各种组织和器官中都存在凝集素。

　　凝集素可与糖专一性地结合。目前按结合糖的类型，凝集素可分为六类：¬ D-甘露糖或D-葡萄糖；­ N-乙酰氨基葡萄糖；® N-乙酰氨基半乳糖；¯ D-半乳糖；° L-岩藻糖；± 唾液酸。在植物凝集素中，只有麦胚凝集素（WGA）可专一结合唾液酸。除按糖结合专一性分类，还有按来源、按结构等其它分类方法，不在此详述。

表1 部份凝集素糖结合专一性

　　二、凝集素与疾病

　　细胞间的粘附是细胞间相互作用起决定性作用的起始步骤。作为致病的微生物，首先对宿主细胞进行粘着，然后才能感染和致病。细胞表面的凝集素能专一地识别并结合另一细胞的糖链。凝集素的这种特性，在细胞与细胞，细胞与基质的粘附中起一定作用（图 3 ）

　　动物Se凝集素与炎症

　　1990年11月，三个不同的研究小组几乎同时发现了血管内皮细胞，与白细胞粘附分子��E选择素（Selection）。这是一类与白细胞运行与粘着相关动物凝集素，除E外还有L与P型。三种凝集素均可识别唾液酸化的四聚糖。

　　L型Se凝集素存在于淋巴细胞表面，可使血液循环系统中的淋巴细胞与淋巴节间产生器官专一性的粘着作用而使淋巴细胞分流回到淋巴系统，称其为淋巴细胞“归巢”。E型Se凝集素存在于内皮细胞表面。当组织受到损伤或感染时，白细胞与内皮细胞粘附，沿壁滚动，最后穿过血管壁进入受损组织以杀灭入侵病原物。过多的白细胞渗出则能引起炎症。在类风湿性关节炎等慢性炎症，银屑病等皮肤炎症病人，均检测到E-Se凝集素的增强。在结肠癌和肺癌细胞细胞表面均发现有SLe^x的抗原决定簇。这些癌细胞容易和带有E型Se凝集素的内皮细胞结合，渗出血管而导致癌的转移。E、P、L至少三种凝集素与寡糖SLe^x之间的识别功能及与炎症、癌症的关系的阐明被认为是糖生物学研究的一场革命，并引发了设计抗炎药物、抗癌药物的新思路。

　　炎症时，局部内皮细胞表面Se凝集素的表达加剧，导致白细胞在炎证部位大量堆积。若能抑制白细胞在内皮细胞表面的粘着，可能达到抗炎目的。SLe^x就是一种有效的抗炎药物。美国Scripps研究所华裔科学家王启辉用三种不同的糖基转移酶合成了SLe^x，取得世人瞩目的研究进展。利用核磁共振技术测定了SLe^x的立体结构。从近7500种化合物的结构数据库中找到了约400种和SLe^x结构相近的非糖化合物；其中有23种商品的化合物和药效团的结构更为接近，从中又筛选出甘草甜素与甘草酸与E、P、L型凝集素有着不同程度结合能力，因而具抗炎活性。

　　三、凝集素在生物学研究中的作用

　　由于凝集素与糖分子具有专一性可逆结合的特性，¬ 将凝集素固定化制成亲和层析柱用于对糖、糖肽、糖蛋白的分离纯化。­ 可用于糖复合物的检测与鉴定。® 利用辣根过氧化物酶等方法标记的凝集素可用于糖复合物的组织化学检测与定位。¯ 可用于血型的鉴定，国外一些血库已用凝集素取代了血清。° 能够促进淋巴细胞的有丝分裂。除上述作用外，凝集素在以下几方面的应用前景更令人关注。

　　1、用于恶性肿瘤的诊断

　　前已述及，癌变的细胞其糖蛋白糖链与正常细胞相比有很大的变异。利用凝集素能专一性地识别糖链的功能，选择1种以上的凝集素对病人尿与血清中的糖蛋白进行检测，可对肿瘤诊断提供重要信息。例如诊断原发性肝癌涉及到甲胎蛋白.AEP是胎儿发育过程中，由胎肝合成的一种含糖量为4%的糖蛋白，由590个氨基酸残基组成。每分子AFP含一条糖链。胎儿出生时，脐带血中含AFP为10-100mg/L，出生1年后，降至与正常人水平，含量极低，难以检测。原发性肝癌病人血清AFP明显上升，因此临床上用免疫生化技术测定AFP做为诊断肝癌的依据。以后的研究表明胃癌、肠癌、胰腺癌等消化系统肿瘤血清AFP含量也升高，而肝炎、肝硬化病人血清也可伴有暂时性的AFP上升。

　　如何区别肝癌与良性肝病，肝癌与其它癌症,进一步的研究表明，肝癌AFP糖链最明显的变化是岩藻糖增加，而良性肝病无此变化。用岩藻糖化的AFP，借助凝集素可区分肝癌与良性肝病。肝癌AFP除岩藻糖增多外，（bis-GLCNAC）型天线也增多，ConA（刀豆凝集素） LCAC（小扁豆凝集素） WGA（麦胚凝集素） E-PHA（红腰豆凝集素） PSA（蔓陀罗凝集素）等与受体糖链结合各有其特异性。例如PSA只结合多天线和偏二天线糖链；而ConA能与PSA不结合的C₂C₂二天线和单天线糖链结合。利用AFP与不同的凝集素相互作用的特点，后经现代分离分析手段分离检测，即可将肝癌及其它癌症相区别。

　　2、按抗粘附机制，设计防治病毒与细菌致病的药物

　　由于病毒与细菌等病原体对受体细胞的识别与粘着是感染及引发疾病的第一步，那么阻断病原体对受体细胞的粘着，以凝集素为基础的药物设计应该是防治这类疾病最直接、最有效的途径。例如a -甲基甘露糖苷与大肠杆菌表面的凝集素结合，大肠杆菌则无法再与动物尿路表皮细胞的糖链结合，即无法与宿主细胞粘着。a -甲基甘露糖苷有可能成为防治尿路感染的药物。

　　胃炎和胃溃疡是由幽门螺旋杆菌感染致病的。在研究了螺旋杆菌的凝集素及糖结合专一性后，美国Neose公司开始酶促合成具抗粘附活性的糖类药物，并用于临床试验。

　　艾滋病致病病毒HIV对受体感染的分子基础不十分清楚。但一些研究表明，对甘露糖专一的凝集素在不同程度上可以影响HIV的感染。前面提到，gp120凝集素活性是与甘露糖基等结合，这就为艾滋病的防治提供了又一新的思路与线索。

　　“生物导弹”通常是指治疗肿瘤的抗体和毒素形成的复合物��免疫毒素。在复合物中，抗体由于能识别并与肿瘤细胞粘着而起到定向传送的作用，毒素部分则起到杀伤肿瘤细胞的弹头作用。由于抗肿瘤药物对机体产生的毒副作用，既要维持血药浓度不变又要对病灶有足够的杀伤力，生物导弹是解决这一矛盾的最佳策略。

　　一些凝集素和特定结构的糖链也可以象单克隆抗体那样起到导航作用，把杀伤癌细胞的药物定向传送到病变组织。例如肝细胞凝集素可以专一性地识别半乳糖，将药物与带有半乳糖的糖蛋白偶联，因糖蛋白可以和肝细胞凝集素专一性地结合，并使药物定向导入肝细胞，可达到治疗肝癌的目的。但凝集素或糖复合物作为药物定向传送的载体在理论上可行，在实际应用上，尚有许多问题有待于进一步解决。